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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Caucho sintético. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. Los cauchos son elastómeros naturales o sintéticos caracterizados por propiedades de elasticidad, resistencia al agua y aislamiento eléctrico, a partir de los cuales se obtienen cauchos y ebonitas por vulcanización.
Europa aprendió por primera vez sobre el caucho en el siglo XVI. Cristóbal Colón lo trajo de América junto con muchas otras curiosidades. Mientras los barcos estaban anclados cerca de la isla de Haití, Colón y sus compañeros observaron a los nativos jugando con una pelota hecha de una especie de material elástico, completamente desconocido en Europa. Las bolas rebotaron fácilmente cuando tocaron el suelo, se comprimieron y recuperaron nuevamente su forma original. De regreso a España, Colón se llevó muestras de este maravilloso material, que más tarde se conocería en el Viejo Mundo con el nombre de "caucho". Traducido del indio "caucho" significa "lágrimas de un árbol". Como se supo más tarde, era un jugo recolectado de incisiones en la corteza de un árbol tropical: la hevea brasileña. Se tomó de un árbol cuando la hevea tenía siete años: a una altura de medio metro, se hizo una incisión en la corteza, y cuando comenzó a fluir un jugo blanco, como la leche, debajo de ella, lo recogieron en colgando tazas, y luego se vierte en un recipiente grande. En el aire, el jugo se coaguló relativamente rápido y se convirtió en un producto resinoso oscuro: caucho.
Los europeos no apreciaron de inmediato los méritos de este material. Durante dos siglos trataron el caucho como una curiosidad salvaje. Mientras tanto, los viajeros que venían a América del Sur continuaron entregando más y más artículos nuevos hechos de caucho a Europa. Entre ellos había botellas, botas impermeables y ropa de lluvia. Todo esto era muy curioso, pero no tenía ningún significado práctico. Solo después de mucho tiempo, los europeos encontraron el primer uso para el caucho: comenzaron a usarlo en forma de bandas elásticas, que recuerdan a los borradores escolares modernos. A fines del siglo XVIII, el químico inglés Mackintosh obtuvo una patente para la fabricación de impermeables impermeables a partir de caucho. Se llaman Macintosh. Los impermeables, sin embargo, no eran lo suficientemente buenos para el clima europeo, a bajas temperaturas se volvían duros como el estaño y con el calor, pegajosos. Después de muchos experimentos, encontraron una forma de evitar estas desagradables características del caucho vulcanizándolo. (Este importante descubrimiento fue realizado en 1839 por el químico estadounidense Goodyear). Se descubrió que cuando el caucho se calienta con azufre, cambia sus propiedades con bastante fuerza: se vuelve más flexible, elástico y no tan sensible a los cambios de temperatura. Este nuevo caucho vulcanizado se conoció como caucho. Rápidamente ganó popularidad ya que demostró ser extremadamente conveniente en muchos sentidos. La demanda ha crecido cada año. No existe ningún otro producto similar al caucho en la naturaleza: es resistente al agua, tiene propiedades de aislamiento eléctrico, es flexible y es capaz de cambios de forma muy grandes. Bajo la acción de una fuerza externa, puede estirarse varias veces y contraerse nuevamente. Ninguna otra sustancia tiene tal elasticidad. Al mismo tiempo, es fuerte, duradero, resistente a la abrasión y fácil de procesar. Por ello, el caucho ha sido y sigue siendo un material idóneo para la fabricación de neumáticos para automóviles, todo tipo de correas de transmisión, cintas de transporte, manguitos, amortiguadores, juntas, aislantes flexibles y mucho más. Sin caucho, la vida de una sociedad industrial moderna es simplemente imposible. Desde mediados del siglo XIX, comenzó la producción en masa de productos de caucho. Esto creó una verdadera fiebre del caucho. Las áreas donde crecían los árboles de caucho se convirtieron en objeto de guerras y especulaciones. La hevea salvaje pronto dejó de satisfacer las necesidades de la industria. Además, extraer caucho en la selva era difícil y costoso. Se hicieron experimentos exitosos para crear plantaciones de caucho. Hevea se mudó a los trópicos de Java, Sumatra, el archipiélago malayo. La producción de caucho aumentó varias veces, pero la demanda siguió creciendo. Desde hace cien años, el mundo científico busca la respuesta al misterio del caucho para aprender a fabricarlo artificialmente por medios químicos. Poco a poco se hizo evidente que el caucho natural del jugo de hevea es una mezcla de varias sustancias, pero el 9/10 de su masa cae sobre el hidrocarburo de poliisopreno con la fórmula (C5H8) n, donde n es muy grande: más de mil. Las sustancias con una estructura similar pertenecen al grupo de productos de alto peso molecular: polímeros, que se forman mediante la combinación de varias, a veces muchas, moléculas idénticas de sustancias monoméricas más simples (en este caso, moléculas de isopreno C5H8). En condiciones favorables, las moléculas de monómero individuales se conectan entre sí en cadenas lineales o ramificadas largas y flexibles. Esta reacción de formación de polímeros se llama polimerización. Ocurre solo con sustancias orgánicas que tienen enlaces múltiples (dobles o triples). Como resultado de la separación de estos enlaces, se produce la conexión de moléculas individuales entre sí (debido a las valencias liberadas). Además del poliisopreno, el caucho natural contiene proteínas y minerales similares a la resina. El poliisopreno puro, purificado de resinas y proteínas, es muy inestable y pierde rápidamente sus valiosas propiedades técnicas en el aire: elasticidad y resistencia. Así, para producir caucho artificial fue necesario aprender al menos tres cosas: 1) obtener isopreno a partir de otras sustancias; 2) llevar a cabo la reacción de polimerización del isopreno; 3) tratar el caucho resultante con sustancias adecuadas para protegerlo de la descomposición. Todas estas tareas resultaron ser extremadamente difíciles. En 1860, el científico inglés Williams, por destilación seca del caucho, aisló del mismo el isopreno, que resultó ser un líquido ligero, móvil, incoloro y de olor peculiar. En 1879, el químico francés Gustav Bouchard, calentando isopreno y actuando sobre él con ácido clorhídrico, realizó la reacción inversa: obtuvo un producto similar al caucho. En 1884, el químico inglés Tilden obtuvo isopreno mediante la descomposición a alta temperatura de la trementina. Aunque cada uno de estos científicos contribuyó al estudio de las propiedades del caucho, el secreto de su síntesis permaneció sin resolver en el siglo XIX: todos los métodos abiertos resultaron inadecuados para el uso industrial debido al alto costo de las materias primas o porque de los bajos rendimientos de isopreno, o por la complejidad de los procesos técnicos que aseguran la reacción. Pero, ¿es realmente necesario el isopreno para la producción de caucho? ¿Quizás se pueda formar una macromolécula con propiedades similares a partir de otros hidrocarburos? En 1901, el químico ruso Kondakov descubrió que el dimetilbutadieno también se convierte en una sustancia gomosa si se deja reposar en la oscuridad o en luz difusa durante aproximadamente un año. (Durante la Primera Guerra Mundial en Alemania, aislada de las fuentes de caucho natural, se lanzó la producción de caucho sintético a partir de dimetil butadieno. Sin embargo, los productos de este resultaron de muy mala calidad, pero su precio resultó prohibitivo debido a dificultades técnicas Después de la guerra, este caucho de metilo nunca volvió a producirse.) Más tarde se descubrió que todos los hidrocarburos con un esqueleto molecular se pueden sintetizar en sustancias similares al caucho.
El primer miembro de esta serie es el butadieno (o divinilo)
Allá por 1914, los británicos Matthews y Strange obtuvieron un caucho muy bueno a partir de divinilo en presencia de sodio metálico. Pero su trabajo no fue más allá de los experimentos de laboratorio debido a que, en primer lugar, no se encontró un método para la producción de divinilo y, en segundo lugar, no fue posible crear una instalación que pudiera sintetizar caucho en la fábrica. Ambos problemas fueron resueltos quince años después por el químico ruso Sergei Lebedev. Antes de la Primera Guerra Mundial, las fábricas rusas producían hasta 12 mil toneladas de caucho importado. Después de la revolución, cuando comenzó la industrialización de la industria, las necesidades de caucho de la Unión Soviética se multiplicaron muchas veces. Un barco requirió 68 toneladas de caucho, cada tanque - 800 kg, avión - 600 kg, automóvil - 160 kg. Cada año había que comprar más y más caucho en el extranjero. Mientras tanto, en 1923-1924, el precio del caucho natural alcanzó los 2400 rublos oro por tonelada. La necesidad de pagar tanto dinero y, en mayor medida, la dependencia en la que cayó el joven estado soviético de los proveedores, planteó serios problemas a la dirección del país. Solo había una forma de resolverlos: desarrollando un método industrial para la producción de caucho sintético. A finales de 1925, el Consejo Económico Supremo anunció un concurso internacional sobre la mejor manera de producir caucho sintético. Los términos de la competencia eran bastante estrictos: el caucho debía fabricarse en la URSS a partir de productos extraídos en la URSS, el precio del caucho artificial no podía exceder el precio mundial promedio durante los últimos cinco años. El 1 de enero de 1928, se requería entregar 2 kg de la muestra terminada a Moscú. Lebedev en ese momento dirigía el Departamento de Química General de la Universidad de Leningrado. Incluso antes de la revolución, había estado trabajando en el problema del caucho sintético durante varios años y era muy consciente de las dificultades que enfrentaban todos los participantes en la competencia. Sin embargo, decidió participar en él. Varios alumnos y estudiantes accedieron a ayudarlo en su trabajo. Los tiempos eran muy difíciles. Todos los asistentes y el propio Lebedev trabajaron de forma totalmente gratuita durante las horas libres, por la noche y los fines de semana. Para cumplir con la fecha límite, trabajaron con el mayor esfuerzo. Los experimentos tecnológicos complejos tuvieron que llevarse a cabo en las condiciones más desfavorables. Literalmente faltaba todo. Como recordaron más tarde los participantes de esta increíble empresa, hicieron todo lo que necesitaban con sus propias manos. Lebedev tuvo que trabajar no solo como químico, sino también como soplador de vidrio, mecánico y electricista. Para enfriar durante los procesos químicos, se necesitaba hielo: todo se recolectaba en el Neva. Y, sin embargo, las cosas iban bien. Durante los muchos años de investigación anteriores, Lebedev se convenció de que obtener un caucho sintético que reproduzca completamente las propiedades del caucho natural es una tarea muy difícil y, en esas circunstancias, difícilmente alcanzable. Inmediatamente abandonó los experimentos con isopreno y decidió tomar divinilo como material de partida. Después de la investigación de Matthews y Strange en el proceso de producción de caucho de divinilo (butadieno), faltaba un eslabón más: era necesario desarrollar un método para la producción de divinilo a partir de materias primas baratas y fácilmente disponibles. Al principio, Lebedev quería tomar el aceite como tal, pero luego centró toda su atención en el alcohol. El alcohol era entonces la materia prima más real. Si se hubiera resuelto con éxito el problema de la síntesis de divinilo, habría sido posible producir caucho inmediatamente en cualquier cantidad requerida, y esto era justo lo que el país necesitaba. La esencia de la reacción, en la que el alcohol etílico se descompone en divinilo, agua e hidrógeno (generalmente se describe mediante la ecuación: 2CH3CH2OH = C4H6 + 2H2O + H2), estaba clara para Lebedev. Pero la gran dificultad residía en la selección de un catalizador adecuado. Habiendo entendido profundamente la esencia de los procesos en curso, Lebedev sugirió que una de las arcillas naturales activas podría servir como catalizador. Durante sus vacaciones en Crimea y el Cáucaso en el verano de 1927, recolectó y estudió constantemente muestras de arcilla. Al final, encontró la arcilla adecuada en Koktebel. La reacción en su presencia dio un excelente resultado. Entonces, a mediados de 1927, se logró el primer éxito: la reacción fue en la dirección correcta y se obtuvo divinilo del alcohol. El siguiente proceso, la polimerización de divinilo, Lebedev decidió llevar a cabo de acuerdo con el método de Matthews y Strange. Para hacer esto, el sodio en una instalación especial se distribuyó uniformemente sobre el divinilo, después de lo cual la reacción continuó durante 3 a 5 días. Sin embargo, su producto final aún no era caucho comercial. Estaba saturado de gases, el sodio se distribuía de manera desigual, la mezcla era inestable y se oxidaba rápidamente en el aire, perdiendo elasticidad. Por lo tanto, el caucho resultante se procesó en un mezclador, donde se amasó junto con el sodio incluido en él. Luego se mezcló con mejoradores, negro de humo, caolín, magnesia y otros componentes que supuestamente protegían el caucho de la descomposición. El caucho listo se recibió en porciones insignificantes, solo unos pocos gramos por día. Por lo tanto, el trabajo continuó literalmente hasta el último minuto. A fines de diciembre, cuando solo faltaban unos días para la fecha límite, se completó la síntesis de 2 kg de caucho y se envió urgentemente a Moscú. En febrero de 1928, el jurado, después de considerar todas las muestras enviadas (por cierto, había muy pocas), reconoció el caucho cultivado en el laboratorio de Lebedev como el mejor. Sin embargo, esto fue solo el comienzo. Los métodos de laboratorio a menudo son inaceptables en un entorno de fábrica. Lebedev recibió instrucciones de continuar investigando y desarrollando tecnología industrial para su método de producción de caucho. El trabajo duro comenzó de nuevo. Es cierto que ahora Lebedev tenía muchos más fondos y oportunidades. Conociendo bien la importancia de su trabajo, el gobierno le proporcionó todo lo que necesitaba. Pronto se estableció un laboratorio especial para el caucho sintético en la Universidad de Leningrado. En un año, se diseñó y construyó una planta piloto en este laboratorio, que producía 2-3 kg de caucho por día. A fines de 1929, se desarrolló toda la tecnología del proceso de la fábrica. En febrero de 1930, comenzó la construcción de una planta piloto en Leningrado en la isla Gutuevsky. En el verano, se inauguró el laboratorio de la fábrica. Equipado según las instrucciones personales de Lebedev, fue uno de los mejores laboratorios químicos de la época y se convirtió en un verdadero centro científico del caucho sintético. Además del laboratorio, Lebedev tenía a su disposición a los mejores especialistas que pudo encontrar. Para todas las preguntas, podría contactar personalmente al secretario del comité regional del partido de Leningrado, Kirov. La gran dificultad estaba en crear el equipo necesario. La ingeniería química estaba apenas en su infancia. Los pedidos se distribuyeron a todas las fábricas de Leningrado, pero su implementación avanzó lentamente, ya que carecían de la experiencia necesaria. Incluso el propio Lebedev a veces encontró difícil dar consejos técnicos precisos. Sin embargo, la construcción de la planta piloto se completó en enero de 1931. En febrero se obtuvieron de ella los primeros 250 kg de caucho. Fue el primer caucho sintético barato fabricado en fábrica del mundo. En el mismo año, se colocaron tres plantas de caucho gigantes: en Yaroslavl, Voronezh y Efremov. Todos ellos fueron declarados proyectos de construcción de Komsomol de choque y se construyeron con una velocidad asombrosa. En 1932, la planta de Yaroslavl ya producía el primer caucho. Al principio, la síntesis de divinilo en la fábrica se llevó a cabo con gran dificultad. En lugar de una mezcla simple de productos de descomposición de alcohol que consisten en divinilo, agua e hidrógeno, se obtuvo una "vinagreta" compleja de 30 componentes, y el rendimiento de divinilo en esta masa no superó el 20-25%. Lebedev tuvo que ir urgentemente a Yaroslavl con un grupo de sus empleados para ayudar a montar la producción. Luego surgieron las mismas dificultades en Voronezh y Efremov. En la primavera de 1934, durante un viaje a una fábrica en Efremov, Lebedev contrajo tifus y murió poco después de regresar a Leningrado. Pero la causa, a la que puso una base tan importante, se fortaleció y se desarrolló. Después de las tres primeras plantas de caucho sintético, se construyeron varias nuevas. En 1934 se produjeron 11 mil toneladas de caucho sintético, en 1935 - 25 mil, en 1936 - 40 mil. En 1937, la participación del caucho sintético en la producción total de caucho ya era del 73%. El problema científico y técnico más complejo fue resuelto con éxito. Sin embargo, el método para la producción de caucho sintético, desarrollado por Lebedev, no era el único posible. Él mismo lo entendió muy bien y en los últimos años pensó mucho en cómo sustituir las materias primas alimentarias (a partir de productos alimenticios se producía alcohol y se gastaban 1 toneladas de patatas para producir 12 tonelada de alcohol) por otras más baratas, por ejemplo ejemplo, aceite. Otra desventaja del caucho divinílico era su baja adhesividad. En la fabricación de productos de caucho a partir de él, fue necesario ir a costos adicionales. Posteriormente, se desarrollaron varios métodos más para la producción de caucho sintético, y en 1965, en la URSS, el caucho sintético se obtuvo por primera vez en condiciones industriales a partir del isopreno. Autor: Ryzhov K.V.
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